(57)【要約】【課題】  燃料電池の出力によって２次電池を適正な充電状態に保持することができ、燃料電池や２次電池を長期間に渡って安定に使用できる燃料電池システムを得る。【解決手段】  プロトン導電性高分子固体電解質を用いた燃料電池１とバックアップ用の２次電池２とを備えた燃料電池システムにおいて、前記２次電池２を燃料電池の出力によって充電する充電路３０と、前記燃料電池の出力を負荷に供給する燃料電池出力路１０と、前記２次電池の出力を前記負荷に供給する２次電池出力路２０とを有し、前記２次電池出力路２０に、２次電池の放電電流が流れる方向にダイオードＤ2を接続し、燃料電池１の出力電流が定格出力電流以下の場合に、充電路３０の出力電圧が浮動充電電圧になるように制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性高分子固体電解質を用いた燃料電池とバックアップ用の２次電池とを備えた燃料電池システムにおいて、前記２次電池を燃料電池の出力によって浮動充電する充電路と、前記燃料電池の出力を負荷に供給する燃料電池出力路と、前記２次電池の出力を前記負荷に供給する２次電池出力路とを有し、前記２次電池出力路に、２次電池の放電電流が流れる方向にダイオードを接続し、燃料電池の出力電流が定格出力電流以下の場合に、前記充電路の出力電圧が浮動充電電圧になるように制御することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
２次電池によって起動され、燃料電池の起動信号を送出する機能、または燃料電池もしくは２次電池の出力電圧の一方の低下を検出して燃料電池の運転を停止させる停止信号を送出もしくは２次電池から負荷への出力の供給を停止させる機能、の少なくとも一方を有した起動停止部を設けたことを特徴とする、請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
出力電圧を安定化させる安定化回路または出力電圧を逆変換する逆変換回路を設けたことを特徴とする、請求項１または２の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン導電性高分子固体電解質を用いた燃料電池システムを、キャンプ用電源、災害時の非常用電源、遠隔観測機器用電源、ロボット用電源等のように、電源のない場所で長時間運転する必要のある機器の電源に用いる場合のシステム構成に関するもので、さらに詳しく言えば、燃料電池と２次電池とを組み合わせた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料および酸化剤の反応エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すもので、騒音や振動が少なく、排ガスもクリーンであることから、新しい発電方式として注目されている。このような燃料電池は、一般に、２次電池を負荷変動のバッファーとしたシステムとして使用される場合が多く、負荷に対する電力供給が断続したり、その変動幅が大きい用途に、主として採用されている。
【０００３】
上記した用途では、負荷は、常時、システムに接続され、２次電池はそれが過充電にならない限り燃料電池の運転を継続させて充電されるようにし、過充電になった場合に充電を停止させるようにしているが、２次電池の充電が必要になった場合に備えて、速やかに燃料電池は運転が再開できるようにしている。
【０００４】
ところが、上記した２次電池に鉛蓄電池を使用した場合、充電の停止を充電路の開放によって行うと、軽負荷時に燃料電池の出力電圧が上昇して、燃料電池の構成材料に電蝕を生じさせるという問題があった。また、充電の停止を燃料電池の運転を停止させることによって行うと、燃料電池の温度が低下して、速やかに運転を再開させることが困難であるという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−１７５３５２号公報
【０００６】
前記特許文献１には、燃料にメタノールを用いた燃料電池と蓄電池を用いた燃料電池電源システムにおいて、蓄電池が過充電に達したとき、燃料電池と蓄電池の接続をＯＦＦにすると共に燃料電池とダミー抵抗の接続をＯＮとし、一定時間を経てなお過充電状態が継続しているとき、前記ＯＦＦ及びＯＮを逆転してＯＮ及びＯＦＦにすると共に燃料電池への酸化剤の供給を停止し、更に一定時間を経て過充電状態が継続するとき燃料電池への燃料の供給を停止し、更に一定時間を経て過充電状態が継続するとき燃料タンク内の燃料を温度維持手段により所定温度に保持し、前記各段階のいずれかにおいて過充電状態が回避したときに初期状態に復帰する構成としたものが開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した、燃料電池の出力にダミー抵抗を接続するものでは、ダミー抵抗に電流が流れることによる損失が大であるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、プロトン導電性高分子固体電解質を用いた燃料電池とバックアップ用の２次電池とを備えた燃料電池システムにおいて、前記２次電池を燃料電池の出力によって充電する充電路と、前記燃料電池の出力を負荷に供給する燃料電池出力路と、前記２次電池の出力を前記負荷に供給する２次電池出力路とを有し、前記２次電池出力路に、２次電池の放電電流が流れる方向にダイオードを接続し、燃料電池の出力電流が定格出力電流以下の場合に、前記充電路の出力電圧が浮動充電電圧になるように制御することを特徴とする。また、請求項２記載の発明は、請求項１の燃料電池システムにおいて、２次電池によって起動され、燃料電池の起動信号を送出する機能、または燃料電池もしくは２次電池の出力電圧の一方の低下を検出して燃料電池の運転を停止させる停止信号を送出もしくは２次電池から負荷への出力の供給を停止させる機能、の少なくとも一方を有した起動停止部を設けたことを特徴とする。また、請求項３記載の発明は、請求項１または２の燃料電池システムにおいて、出力電圧を安定化させる安定化回路または出力電圧を逆変換する逆変換回路を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記請求項各項に記載の発明によれば、燃料電池の出力によって２次電池を適正な充電状態に保持することができ、過充電や過放電状態になることが防止できる。また、軽負荷時においても、燃料電池は負荷に対する出力電流と２次電池に対する浮動充電電流とを供給するようにできるから、燃料電池の出力電圧の上昇を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの回路図を示す。
【００１１】
図１において、１は燃料電池で、プロトン導電性の高分子固体電解質膜の両面にＰt−Ｒu触媒などを用いた燃料極とＰt触媒などを用いた空気極とを設け、燃料極側には水素などのガス燃料や、メタノール−水混合燃料などの液体燃料を供給し、空気極側には空気などの酸化性ガスを供給し、前記高分子固体電解質膜と燃料極、空気極及びこれらに燃料と酸化性ガスを供給するためのセパレータなどで単電池セルを構成し、単電池セルを直列に複数接続して、燃料電池１として、所定の電圧が得られるようにする。前記燃料は、例えば、３重量％程度のメタノール−水混合燃料、イソプロパノール−水、ブタノール−水などの液体燃料を収容した燃料カセットを燃料電池１に着脱自在に設けて、この燃料カセットから供給するようにしたり、前記液体燃料を収容した液体燃料タンク６を設け、配管を通じて供給するようにしてもよい。また、上記の液体燃料に代えて、水素ボンベから水素を供給しても良く、あるいは燃料カセットの液体燃料を改質器で改質して得た水素を、燃料電池１に供給してもよいが、この実施形態では、燃料カセットの液体燃料を、直接燃料電池１へ供給する、直接形燃料電池システムの場合に適している。なお、上記した燃料カセットとは別に排燃料を収容するための排燃料カセットを設けてもよい。
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムは、上記した燃料電池１とバックアップ用の２次電池２とを備えており、２次電池２を燃料電池１の出力によって浮動充電する充電路３０と、燃料電池１の出力を負荷３に供給する燃料電池出力路１０と、２次電池２の出力を負荷３に供給する２次電池出力路２０とを有している。前記充電路３０にはダイオード２２と出力電圧が２次電池２の浮動充電電圧Ｖbfに設定された充電器１２が設けられており、前記燃料電池出力路１０にはダイオード２１が設けられており、前記２次電池出力路２０には２次電池２の放電電流が流れる方向にダイオード２３が設けられていて、燃料電池１の出力電流が定格出力電流以下の場合に、充電器１２の出力電圧が２次電池２の浮動充電電圧になるように制御している。
【００１３】
上記した燃料電池システムは、図２に示したように、負荷３に流れる電流が燃料電池１の定格出力電流Ｉa以下のＡ領域での運転と、定格出力電流Ｉaを超えるＢ領域またはＣ領域とで運転される。
【００１４】
前記Ａ領域は、燃料電池１の出力電圧Ｖfc＞２次電池２の浮動充電電圧Ｖbfである領域である。図２のＡ領域の左側では、、燃料電池出力路１０を通って負荷３に流れる電流が少なく、燃料電池１の出力電圧Ｖfcが高くなって、充電器１２の出力電圧が２次電池２の浮動充電電圧Ｖbfに制御されると、２次電池２に流れる充電電流が多くなる。これに対して、図２のＡ領域の右側では、燃料電池出力路１０を通って負荷３に流れる電流が多く、燃料電池１の出力電圧Ｖfcが低くなって、充電器１２の出力電圧が２次電池２の浮動充電電圧Ｖbfに制御されると、２次電池２に流れる充電電流は少なくなる。
【００１５】
前記Ｂ領域は、燃料電池１の出力電圧Ｖfcから２次電池２の浮動充電電圧Ｖbfが得られなくなる領域で、充電電流がなくなって燃料電池１の出力電流のすべてが負荷３に流れるが、燃料電池１の出力電圧Ｖfc≧２次電池２の開放電圧Ｖboであるため、ダイオード２３が逆バイアスされた状態の領域である。このＢ領域では、２次電池２は放電されず、燃料電池１は、その出力電圧Ｖfcが２次電池２の開放電圧Ｖboに低下するまで負荷３に引き続いて出力を供給する。
【００１６】
前記Ｃ領域は、燃料電池１の出力電圧Ｖfc＜２次電池２の開放電圧Ｖboである領域である。このＣ領域では、ダイオード２３が順バイアスされた状態になり、燃料電池１から負荷３に流れる電流は減少し始めるとともに２次電池２の放電が始まり、その電圧が開放電圧Ｖboからさらに低下し、放電電圧Ｖbdが放電終止電圧Ｖbtに低下して放電を終了させるまで継続する。
【００１７】
上記した燃料電池システムには、さらに図１に示したように、２次電池２によって制御部４０を起動させる起動信号を送出する機能、または燃料電池１もしくは２次電池２の出力電圧の一方の低下を検出して燃料電池の運転を停止させる停止信号を送出もしくは２次電池２から負荷への出力の供給を停止させる機能の、少なくとも一方を有した起動停止部４が設けられている。
【００１８】
前記起動停止部４は、その一例を示すと、２次電池２と２次電池出力路２０との直列接続回路に対して並列に接続された、低電圧を検出するＨＬＶリレー４１と、このＨＬＶリレー４１に対して並列に接続された、Ｘリレー４２の第１Ａ接点４２a1、第２Ａ接点４２a2および制御部４０の直列接続回路と、前記Ｘリレー４２の第１Ａ接点４２a1および第２Ａ接点４２a2の直列接続回路に対して並列に接続された押釦スイッチ４３と、前記制御部４０に対して並列に接続されたＨＬＶリレー４１のＢ接点４１bおよびＸリレー４２の直列接続回路とからなり、負荷３は負荷切り離しスイッチ５が直列に接続されて、前記Ｘリレー４２の第２Ａ接点４２a2および制御部４０の直列接続回路に対して並列に接続されている。
【００１９】
前記制御部４０は、燃料電池１の起動時に、押釦スイッチ４３を押すと、２次電池２が、ダイオード２３を通って、押釦スイッチ４３→制御部４０の経路およびＨＬＶリレー４１のＢ接点４１bおよびＸリレー４２の直列接続回路の経路で放電し、これによって、Ｘリレー４２の第１Ａ接点４２a1および第２Ａ接点４２a2がオンとなって自己保持され、燃料電池１に対して、バルブ８を開き、燃料ポンプ７を動作させる、起動信号を送出させる。これと同時に、負荷切り離しスイッチ５をオンし、例えば携帯用のパーソナルコンピュータなどの負荷３を、２次電池２をダイオード２３を通って放電させることによって作動させる。前記起動信号によって燃料電池１を起動させ、所定の時間が経過するか、燃料電池１が安定状態に達して、燃料電池１の出力電圧が上昇すると、燃料電池１からダイオード２１を通って負荷３に出力の供給が開始される。そして、負荷３に対する出力電流が増加し、Ａ領域からＢ領域に移行する時点まで、２次電池２に浮動充電電圧が与えられるようにし、Ｂ領域からＣ領域に移行する時点まで、燃料電池１から負荷３に出力が供給されるようにする。そして、Ｃ領域において、２次電池の放電電圧Ｖbdが放電終止電圧Ｖbtに低下すると、前記ＨＬＶリレー４１が励磁されなくなって、ＨＬＶリレー４１のＢ接点４１bがオフになり、Ｘリレー４２も励磁されなくなって、Ｘリレー４２の第１Ａ接点４２a1、第２Ａ接点４２a2がともにオフになり、２次電池の放電が停止されるとともに、制御部４０の作動も停止されて燃料電池１の運転を停止させる、停止信号を送出させるようにする。
【００２０】
前記ＨＬＶリレー４１は、図１のダイオード２１とダイオード２３との接続点の電圧を検出して動作させるようにしたが、ダイオード２１のアノード側の電圧を検出すれば、燃料電池１の出力電圧を検出し、それが所定値以下に低下したときに上述した動作をさせることができ、ダイオード２３のアノード側の電圧を検出すれば、２次電池２の出力電圧を検出し、それが所定値（放電終止電圧Ｖbt)以下に低下したときに上述した動作をさせることができる。また、これら各点の電圧検出を組み合わせると、燃料電池１から負荷３に対して出力が供給されているかどうか、２次電池２が放電しているかどうかの判別ができ、燃料電池１や２次電池２の運転状態を監視することができる。なお、充電器１２が入力電圧の検知回路付きのものであれば、ダイオード２２を不要にでき、あるいはダイオード２１に兼用させることができる。
【００２１】
また、上記した燃料電池システムでは、前記起動停止部４に加えて、また起動停止部４に代えて、出力電圧を安定化させる安定化回路を設け、負荷３に印加される電圧の精度を向上させることもできる。また、負荷３が交流で駆動されるものである場合は、出力電圧を逆変換する逆変換回路を設け、交流出力が得られるようにしてもよい。
【００２２】
上記した燃料電池システムでは、説明を省略したが、燃料電池１に、燃料が気体の場合には、燃料の残量を検出するための圧力センサを設けたり、液体の場合には、超音波センサやフロート、光センサなどを用いた液面計などの燃料センサを設けてもよい。なお、燃料電池システムが携帯用ないしは家庭用の場合、このような燃料の残量検出用の燃料センサを設けるのはコスト的に不利であり、燃料を着脱自在のカセットやボンベなどから供給する場合、使い捨てのカセットやボンベに上記した燃料センサを取り付けることは難しく、必要に応じて適宜要否を判断すればよい。
【００２３】
また、前記Ａ領域において、燃料電池１の出力電圧Ｖfcが高くならないように、負荷３に流れる電流が少なくなったときに、燃料ポンプ７の動作を制御するようにすれば、充電器１２の損失を小さくすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明によれば、燃料電池の出力によって２次電池を適正な充電状態に保持することができ、過充電や過放電状態になることが防止できる。また、軽負荷時においても、燃料電池は負荷に対する出力電流と２次電池に対する浮動充電電流とを供給するようにできるから、燃料電池の出力電圧の上昇を抑制することができる。従って、燃料電池や２次電池を長期間に渡って安定に使用できるので、産業上の利用可能性が大である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの回路図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの動作を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２６】
１  燃料電池
２  ２次電池
３  負荷
４  起動停止部
５  負荷切り離しスイッチ
６  液体燃料タンク
７  燃料ポンプ
８  バルブ
【図１】
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【図２】
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